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1、2008-12杨煊坤杨煊坤雷立猛雷立猛咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司车用动力电源系统的研究与发展车用动力电源系统的研究与发展PUHLER 派勒国际控股集团有限公司派勒国际控股集团有限公司广州派勒机械设备有限公司广州派勒机械设备有限公司PUHLER目录一、一、LiFePO4动力电源系统将是电动车的主流动力动力电源系统将是电动车的主流动力二、二、LiFePO4动力电池的研究与发展动力电池的研究与发展三、适应三、适应LiFePO4电池的电池的BMS系统的研究与开发系统的研究与开发四、四、LiFePO4动力电源系统的应用动力电源系统的应用咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司21世
2、纪，全球能源问题引起了世界各国的高度重视，为此，展开了新世纪，全球能源问题引起了世界各国的高度重视，为此，展开了新的储能电池、电池材料的开发与研究，用火力、太阳能、水力、风力发的储能电池、电池材料的开发与研究，用火力、太阳能、水力、风力发电代替汽油、天然气，成为各国研究的焦点。据统计，城市中约电代替汽油、天然气，成为各国研究的焦点。据统计，城市中约60%的的CO,50%的的NOx及及30%的碳氢化合物是由传统汽油车尾气排放所致。环境问的碳氢化合物是由传统汽油车尾气排放所致。环境问题已严重危害着人类的健题已严重危害着人类的健康康，改善改善环境环境工作工作的的任务迫在眉睫任务迫在眉睫。在在世界世界
3、范围内范围内，由，由于竞相于竞相开发开发不同不同类类型型的电动车，的电动车，对对车用动力电源车用动力电源系统的系统的需求需求与与日剧增日剧增，2007年以来年以来，我我国国也制定也制定了了十十城城千辆千辆的发展计的发展计划划，并并将将LiFePO4动力电池动力电池列列为为863重点计重点计划划，这些这些计计划划的的实施实施将将对对LiFePO4电池电池在在电动车电动车上上的应用起的应用起到极大到极大的的推推动动作作用。用。众众所所周知周知，LiFePO4材料材料以以其其高高稳定性稳定性、高高安安全全性性，解决解决了了其他其他电池电池在在电动车电动车上上应用所应用所存在存在的的安安全全与与寿命寿
4、命问题，问题，因因此，发展此，发展完善完善的的LiFePO4动力电池系统动力电池系统总总成，将是成，将是推推动电动电动车动车事业事业发展的发展的关键关键，并并将将会会成为电动车的主流动力。成为电动车的主流动力。一、一、LiFePO4动力电源系统将是电动车的主流动力动力电源系统将是电动车的主流动力咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司咸咸阳阳威威力力克克能源能源有限公司有限公司与与PUHLER派勒集团经过派勒集团经过四四年对年对LiFePO4电池的研究与开发电池的研究与开发,在在国国内较早推出出内较早推出出了了8Ah、10Ah高高功率功率电池电池和和40Ah、55Ah、120Ah能能量型量
5、型车用系车用系列列LiFePO4动力电池，已动力电池，已在在各类各类EV、PHEV、HEV车车上得到上得到了了广泛广泛应用。应用。目前单目前单一电一电芯芯已已不不能能满足满足车用的车用的要要求求，给给车车厂提供厂提供完善完善的动力电源系的动力电源系统将是电池统将是电池生产厂家生产厂家的主的主要方向要方向。由。由于于LiFePO4电池的电池的特特性不同于其他性不同于其他锂锂离子离子电池，电池，因因此，此，不不断深入断深入研究研究提提高高LiFePO4电池电池性性能将是能将是我我们们电池电池企企业业长远长远目目标标。以以下就下就我司在我司在LiFePO4电池的研究电池的研究作作一一介绍：介绍：二、
6、二、LiFePO4动力电池的研究与发展动力电池的研究与发展咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司1.目前目前车用车用LiFePO4动力电池的主动力电池的主要品种要品种8Ah 10Ah 50Ah 40Ah 120Ah 咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司55Ah-Fe不同倍率放电曲线22.22.42.62.833.23.43.63.8010000 20000 30000 40000 50000 60000容量（mAh）电压（V）0.5C(27500mAh)1C（55000mAh）2C(110000mAh)4C(200000mAh)2).能能量型量型高高低温特低温特性性：2.LiFe
7、PO4动力电池的动力电池的性性能能指标指标1).能能量型不同量型不同倍倍率率放电放电特特性性：咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司3).功率型功率型循循环环特特性性：10Ah电池电池70A持续充持续充放电放电特特性性（70DoD）咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司4).8Ah功率功率电池电池300A(37C)放电放电10s数数据据咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司经过经过多多年年的发展，的发展，LiFePO4动力电池的各动力电池的各项项性性能已能能已能满足满足各各种种车用的车用的要要求求，工工艺艺上也上也具备具备了了大大规模生产规模生产的的条件条件。然。然而而，Li
8、FePO4电池的电池的性性能与能与其他其他锂离子锂离子电池电池存在存在着一着一定定的的差异差异，特别特别是是不同不同正正极极材料的材料的锂离子锂离子电池电池其其电电压特压特征征不同不同。例如：例如：LiFePO4与与 LiMn2O4相相比比，虽虽然然平台平台电电压压较较低低，但但电电压曲线压曲线平坦平坦，在在动力动力性性负载条件下负载条件下，具具有稳定有稳定转矩输转矩输出出能力。能力。在在充充电电饱饱和和时间段（时间段（电池电池端端电电压压3.4V）,电电压压会会快速快速上上升升，达达到到充充电电设设定定电电压压，出出现充现充电电曲线曲线的的上上翘现象翘现象，因因此，此，如何正确如何正确应用应
9、用LiFePO4动力电池动力电池也也是是非常非常关键关键的环的环节节。以以下下是是LiFePO4与与LiMn2O4两种两种电池的电池的充充电电曲线曲线与与锂锂离子交换离子交换对对应应关关系系：3.LiFePO4电池的电池的充充电电电电压压的的过过渡渡过过程程咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司LiMn2O4电池电池离子离子脱嵌脱嵌与与充充电电曲线曲线LiFePO4电池电池离子离子脱嵌脱嵌与与充充电电曲线曲线咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司LiMn2O4与与LiFePO4电池电池离子离子脱嵌脱嵌与与充充电电曲线比曲线比较较从左图从左图电电压曲线压曲线不不难看难看出出，LiFe
10、PO4电池电池在在充充电电结束阶结束阶段段，锂离子锂离子几乎几乎完完全全从从正正极极脱嵌脱嵌到到负负极极,此此时时，电池，电池呈呈高高阻状态阻状态，充充电电流电电流急急剧剧减少减少，电池电池端端电电压压迅迅速达速达到到充充电电设设定定电电压压。因因此，此，在在多多节节电池的电池的串联串联过过程程中，由中，由于于电池电池容容量量、内内阻阻的的差差异异，在在充充电电结束阶结束阶段段会会产生产生电池电池端端电电压压的的转转移移特特征征。例如例如在在两节两节串联串联中，由中，由于于电池电池B1的的容容量量略略大大于于电池电池B2，电池，电池B2电电压压首先首先到到达达3.6V时时，电池，电池B2的的离
11、子离子基本基本全全部脱嵌部脱嵌到到负负极极，电池，电池B2呈呈高高阻状态阻状态，使回路使回路中电流中电流急急剧剧减少减少,电池电池B2将将呈呈现现3.8V的电的电压压，而而电池电池B1将将从从3.5V反反而下而下降降到到3.4V。将。将0.2V的电的电压转压转移移到到电池电池B2，使使电池电池B2电电压达压达到到3.8V，当当多多节节串联串联时时，电，电压转压转移移特征特征会会更加更加严重。严重。咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司当当B1容容量量略略大于大于B2时时的的充充电电电电压曲线压曲线通通过以上过以上分析分析，在在多节多节电池的电池的串联串联中，中，单单节节电池的电电池的电压
12、压变变化化不大不大，从表面从表面上上看看LiMn2O4电电压压变变化化不不明显明显，具具有有电电压压相相容容性性，但但并不并不能排能排除部分除部分电池已电池已经经承受承受了了过过充充，降降低低了了尖晶石结构尖晶石结构的的对对称称性性，伴随伴随着着立立方方晶晶型型向向四四方方晶晶型型转转变变，发，发生生了了Jahn-Teller畸变畸变，使使电池电池产生产生了了不不可可逆逆现象现象。而而LiFePO4电池电池在在电电压压高高端端不不具具有有电电压压相相容容性性，主，主要要是是在在充充满满电电阶阶段段，锂离子锂离子几乎几乎会完会完全全释释出出，这这是是固固有有的物的物理理化化学学特征特征，在在离离
13、子子脱嵌后脱嵌后，正正极极体积体积会会缩小缩小6.8%，恰好弥补恰好弥补了了离子离子嵌嵌入负入负极极的的膨胀膨胀问问题，一题，一般般不会不会使晶格使晶格发发生生畸变畸变。当当然，为了然，为了使使电池能电池能够够发发挥最佳挥最佳性性能，能，要要求求BMS不不仅仅具备具备均衡均衡功功能，能，而而且且对对充充电电机加机加以有以有效控效控制也制也是是十十分分重重要要的环的环节节。咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司电池电池管理管理系统系统BMS(Battery Management System)是电动汽车的一是电动汽车的一项项关关键键技术技术。高。高性性能、高能、高可靠可靠性性的电池的电池管
14、理管理系统能系统能使使电池电池在在各各种种工作工作条件下条件下获获得得最佳最佳的的性性能。电池能。电池管理管理系统系统可可实实时时监测监测电池电池状态状态，如如电池电电池电压压、充充放电放电电流、电流、使使用用温温度度等；预等；预测测电池电池荷荷电电状态状态(State of charge)，防止防止电池电池过过充充过过放，放，从从而达而达到到提升提升电池电池使使用用性性能能和寿命和寿命，提提高电动汽车的高电动汽车的可靠可靠性和安性和安全全性性的的目目的。的。在在LiFePO4动力电源中，由动力电源中，由于于高高端端电电压转压转移移特特性性，往往往往高高端端电电压压差异差异化化加加大大，因因此
15、此采采用用均衡管理均衡管理方方式尤式尤为重为重要要，目前目前均衡均衡的的方方法朝法朝着着两两个个方方面面开展研究开展研究工作工作：一一种种是是采采用电用电子子电电路路的的方方法法，另另一一种种是是通通过过电化电化学学的的方方法法解决解决电池高电池高端端电电压压的的均衡均衡问题。问题。三、适应三、适应LiFePO4电池的电池的BMS系统的研究与开发系统的研究与开发咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司1.电电子子电电路路法法：一一般般采采用用耗耗能能方方式或式或能能量量补补给方给方式式。耗耗能能方方式式一一般般比比较较适合适合EV电动车电动车管管理理，其其方方法法是是通通过过BMS对对均衡
16、均衡电电路路和和充充电电机机的的配配合合控控制制，取取得较得较好好的的效效果果。而而能能量量补补给方给方式则式则是是通通过过从从总总电池电池组组回路回路DC/DC隔隔离离降降压压后后以以电电子子选选通通开开关关的的方方式式对对充充放电放电过过程程中中对对电电压压较较低低电池电池进行进行补补偿偿，以以达达到到充充放电放电过过程程中电池中电池端端电电压压的的均衡均衡，一，一般般比比较较适合适合HEV工工况况的的要要求求。值值得得注意注意的是，由的是，由于于LiFePO4电池电池平台平台电电压比压比较较接近接近，因因此此选取选取充充电高电高段段和和放电放电低端特征低端特征均衡均衡点点十十分分重重要要
17、。2电化电化学学解决解决方方法法：是是在在电电解解液液中中加加入入对对电电压压较较敏感敏感的化的化学学添添加加剂剂，当当充充电电电电压压高高于于3.8V时时，使使电池电池内内部呈部呈现现旁旁路状态路状态，将电，将电压压钳位钳位在在3.8V，实实现现电池的电池的自自平平衡衡，该该项项技技术术尚尚在在研究中，研究中，如如果果得以得以突破突破，LiFePO4电池的电池的管理管理系统将系统将会大大会大大简简化，化，对对其广泛其广泛的应用将起的应用将起到到巨巨大大的的推推动动作作用。用。咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司四、四、LiFePO4动力电源系统的应用动力电源系统的应用2007年以来年
18、以来，在在电动车市电动车市场场成成长长过过程程中，中，我我们们先后先后与国与国内内外诸外诸多厂家多厂家进行进行合合作作，使使动力电源系统的动力电源系统的功功能能不不断断完善完善，2009年年计计划划建建成成10000台台汽车汽车电源电源总总成，成，以以满足满足市市场场的的需求需求，以以下下是是目前目前部分部分合合作作厂家厂家和和案案例：例：咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司典典型型应用应用2.HEV:1.ISG:咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司典典型型应用应用3.PEV:4.EV-MOTOR:咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司典典型型应用应用5.EV-BUS:6.HEV-BUS咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司咸阳威力克能源有限公司